A.C.E조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 충격에 유연한 상하수도관 조인트

영문 : Flexible Joint for Waterpipe

과제 팀명

Team A.C.E(Advanced Civil Engineering)

지도교수

서울시립대학교 토목공학과 문영일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 2013860005 김상훈

서울시립대학교 토목공학과 2013860013 노시창

서울시립대학교 토목공학과 2013860024 심재홍

서울시립대학교 토목공학과 2013860027 유우석

서울시립대학교 토목공학과 2013860036 장재혁

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

• 포항과 경주에서의 지진으로 인해 상하수도관이 파열되어 누수와 지반침하 등의 피해가 발생했다.
• 이에 따라 상하수도관의 유연성 측면에서 이를 개선하는 방안에 집중해보고자 했다.
• 우리는 경제성 측면에서 기존관을 전부 교체한다는 것은 부적절하다 판단하였고, 조인트에 주목했다.
• 관의 조인트를 변경하여 유연하게 거동하게 해 지진, 이동하중, 지반침하 등에 의한 파열을 방지하는 것을 목표로 설정했다.
• 실제 우리의 설계가 기존의 것에 비해 내구성이 좋은지, 구조적으로 유리한 지를 시뮬레이션을 통해 검증했다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 본 프로젝트에서 목표는 기존의 상하수도관에 이음을 유연한 조인트로 교체하여 외부 충격에도 저항이 가능하게 개선하는 것이다.
• 충격에 유연한 조인트은 특히 지반침하 발생 시에도 침하 변위에 따라 움직인다. 이에 따라 관에 걸리는 모멘트하중을 줄여줌으로써 파열을 방지한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 상수도 자재의 시장 점유율은 닥타일 주철관이 50%를 차지할 정도로 많이 사용된다.
• 특히, 주철관의 경우 취성이 많아 외부 충격 시 쉽게 파손되어 누수현상이 잠재해 있고, 관내부에는 요철부가 많아 이물질이 부착되는 문제점이 있다.
• 이러한 문제를 해결하기 위해서 많은 연구가 이루어지고 있는 실정이다.

시장상황에 대한 분석

• 상수도 관망은 시민생활과 도시기능 유지에 필수불가결한 기본적인 시설로, 다른사회기반시설(Infrastructure)과의 상호의존성이 높다. 피해복구가 빨리 이루어지지 않을 경우 사회 및 경제 시스템의 기능이 장시간 마비될 수도 있다.
• 따라서 지진 발생 시 급수 확보는 국민생활과 사회 경제활동에 무엇보다 중요한 시설로서 상수도 관망의 내진화는 늦출 수 없는 사항으로 떠올랐다. 우리나라의 상수도관망에 대한 내진화는 거의 무대책 상태에 있다.
• 「지진화산재해대책법」에 의하면 상수도시설은 ‘내진화 대상 시설’로 분류하고 제14조는 ‘내진 설계 기준을 정하고 그 이행에 필요한 조치를 취하여야한다’고 규정하고 있으나 ‘기준’과 ‘이행에 필요한 조치’는 검토 단계에 머물러 있다. 상수도 시설의 약 70%에 해당하는 상수도관망의 경우 매설관의 내진 성능과 평가와 관련한 세부 기준이 마련돼 있지 않으며 국내 수도관 생산 업체도 내진관의 개발에 소홀한 상황이다.
• 지진 빈발국인 일본의 경우 상수도 관망의 내진화와 관련해 정부, 학계, 수도공기업인 지방자치단체가 장기간의 연구와 치밀한 계획 하에 체계적으로 대처하고 있다. 일본 정부는 수도관망의 내진화를 위해 국고를 지원하는 등 상수도관망의 내진화 추진에 박차를 가하고 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 상하수도 관은 노후와 지진, 이동하중 등의 여러 요인에 의해 파열되고 이로 인해 누수가 발생하거나 지반 침하가 발생하기도 하는 등 문제점이 많다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 접합 부위를 내구성을 향상시킬 수 있다.

• 유연성을 얻지 못한 기존의 상하수도관은 응력을 적절하게 분산시키지 못해 파열되기 쉬운 특성이 있지만 유연한 조인트를 적용하여 보강한 상하수도관은 이러한 응력집중에 유리한 성질이 있다.

• 상하수도관의 기본 목적은 취수원에서부터 도수해온 물을 공급하고 후에 발생한 하수를 처리하기 위해 배수하는 것이다. 그러나 이 과정에서 관 내부에 요철부가 많아 이물질이 부착되는 문제를 해결하여 통수성을 향상시킬 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 관리를 용이하게 하여 유지관리가 더 편리한 상하수도 시스템을 구축할 수 있다.

• 상하수도관 시스템을 활용하기 때문에 상하수도관 보수 공사가 줄어들어 유지비용을 절감하여 경제적인 효과를 기대할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 방법 및 일정

구성원 및 추진체계

설계

제품의 요구사항

개념설계안

• 지진에 의한 여러 피해 상황들을 종합해보고 그 문제의 원인들에 대해 분석한다.
• 분석을 통하여 얻은 문제점을 파악하고 문제점을 해결하기 위한 다양한 대안을 제시한다.
• 여러 대안을 문제해결에 효율적인지를 파악하는 과정을 거친다.
• 그 중 가장 효과적으로 결과를 가져올 대안을 이용하여 결과를 분석하고 모델링하는 과정을 거친다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

• 기존의 조인트로 접합된 관을 대조군으로 두고 설계한 조인트 적용된 관과 비교한다.
• 양 쪽에 불균등하게 작용하는 분포하중에 대해 관조인트가 실제로 유연하게 움직이는지, 휨모멘트를 줄일 수 있는지를 마이다스(Midas)를 통해 구현 후 해석했다.
• 왼쪽 부분을 오른쪽에 비해 2배의 등분포하중을 주었을 때, 관의 거동과 휨모멘트를 분석했다. 다음 자료는 기존의 관과 설계한 관에 대해 작용하는 모멘트도이다.

자료. 마이다스를 사용한 수치해석 모형, 기존 조인트(상)와 회전 조인트(하)

• 다음 자료를 보면 중앙 단면에 작용하는 모멘트를 비교했을 때 기존의 관에 걸리는 모멘트가 설계한 관의 모멘트의 약 19배나 되었다.
• 이 결과로 설계한 관조인트가 파이프에 작용하는 휨모멘트를 확실하게 줄일 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
• 또, 관의 형상을 살펴보면, 기존의 관은 휨모멘트로 인해, 휨이 발생한 반면, 설계한 관은 조인트가 유연하게 거동하여 휨이 거의 발생하지 않았음을 확인할 수 있다.

자료. 기존의 관과 설계한 관의 중앙단면에 작용하는 모멘트 크기 비교

상세설계 내용

• 기존의 상하수도관은 변경하지 않고 이음부분만 부분적으로 교체 및 접합 가능하도록 설계
• 양 쪽 구형 부분이 회전 가능하게 설계한다.
• 중앙에서는 회전에 따라 압축 및 팽창이 가능하도록 설계한다.
• 회전 조인트는 충격을 흡수하여 외부충격에도 안정적으로 파이프 연결을 유지한다.

자료. Rhino 3D를 이용하여 설계한 회전 조인트의 평면도면

자료. 하중 재하 전 회전 조인트의 외부정면도

자료. 하중 재하 전 회전 조인트의 내부정면도

자료. 하중 재하 후 회전 조인트의 내부정면도

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

• 본 설계 모델은 외부충격으로 인해 지반이 파괴된 상황을 가정하였다.
• 지반은 지진이나 지반침하 등의 외적요인으로 인해 파괴된 상태이고 왼쪽 지면이 오른쪽 지면보다 아래로 침강된 되어 상대적으로 고도가 낮아진 상태이다(또는 반대로 오른쪽 지면이 융기한 상태이다).
• 설계 모델에서의 상하수도관은 회전 조인트(Flexible Joint)를 적용한 관으로 지반이 파괴됐음에도 불구하고 유동성있게 회전하여 안정적으로 파이프 연결을 유지한다.
• 이러한 관조인트의 거동은 상하로 움직일 뿐만 아니라 전후로도 움직일 수 있어 지진하중에도 견딜 수 있다.

자료. 실제 설계모형의 정면도

자료. 실제 설계모형의 평면도

포스터

media:Soc3조포스터.pdf

완료작품의 평가

*실제 상하수도관에 적용하여 조인트의 응력 저하로 충격에 대한 내구성 증가를 기대할 수 있다.

*초기 비용이 요구되지만 장기적 측면에서 본다면 유지관리비를 크게 절감할 수 있다.

*관의 파손이 아닌 조인트의 파손의 경우 조인트 부분만 부분 교체 가능하기 때문에 보수가 용이하다.

*급수가 항시 이루어져야 하는 병원과 같은 응급 시설에 우선적으로 설치한다면 긍정적 효과를 기대 할 수 있다.